Nowoczesne materiały stosowane w opakowaniach i zastosowaniach zewnętrznych są stale narażone na trudne warunki, w których woda, kurz i lód mogą z czasem pogorszyć wydajność. Naukowcy od dawna poszukiwali sposobów tworzenia powierzchni, które będą odpychać zanieczyszczenia i zmniejszać wymagania konserwacyjne. Zainspirowani systemami naturalnymi, takimi jak liście lotosu, naukowcy opracowują obecnie powierzchnie, które aktywnie przeciwdziałają gromadzeniu się wody i brudu, zachowując jednocześnie trwałość w ekstremalnych warunkach.
Profesor Jin Zhang z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii wraz z Yingkun Shengiem, dr Shuai He, Xiaojing Hao, Erjiang Fu i profesorem Cyrille Boyerem opracowali nowatorską metodę przekształcania konwencjonalnego politereftalanu etylenu (PET), powszechnego tworzywa sztucznego stosowanego w butelkach i opakowaniach, w materiał wielofunkcyjny. Ich praca, opublikowana w recenzowanym czasopiśmie Advanced Materials Interfaces, przedstawia skalowalne podejście do wytwarzania samoczyszczących, przeciwoblodzeniowych i odpornych na promieniowanie UV arkuszy PET. Jak wyjaśnił profesor Zhang: „Przedstawiono łatwą i skuteczną strategię tworzenia solidnych struktur mikro/nano hierarchicznych na arkuszach PET w celu uzyskania superhydrofobowości poprzez szorstkowanie powierzchni i zmniejszoną energię powierzchniową”. W tym przypadku superhydrofobowość odnosi się do ekstremalnie wodoodpornej właściwości, w przypadku której kropelki z łatwością zbijają się i spływają.
Zespół połączył grawerowanie termiczne – proces odciskania maleńkich wzorów za pomocą ciepła, z modyfikacjami chemicznymi w celu stworzenia dwuskalowych struktur powierzchniowych, co oznacza, że cechy występują zarówno na poziomie mikroskopowym, jak i nanoskopowym. Należą do nich mikroskopijne rowki i wzory przypominające szyby okienne, dodatkowo wzbogacone elementami w nanoskali, czyli niezwykle małymi strukturami mierzonymi w miliardowych częściach metra. W rezultacie kropelki wody utworzyły niemal idealne kule i łatwo stoczyły się z powierzchni. Kąt zwilżania, który mierzy stopień rozprzestrzenienia się kropli na powierzchni, wzrósł dramatycznie z umiarkowanego poziomu na nieobrobionym PET do bardzo wysokich temperatur, co wskazuje na wysoce wodoodporną powierzchnię. W praktyce oznacza to, że ciecze prawie się nie przyklejają, a zanieczyszczenia są łatwo usuwane.
Jednym z najbardziej uderzających odkryć była skuteczność konstrukcji mikroszyb. Powierzchnie te umożliwiały kropelkom wody spływanie pod bardzo niskim kątem ślizgania, co oznacza, że wystarczy niewielkie nachylenie, aby kropelki mogły się poruszać, skutecznie usuwając zarówno rozpuszczalne, jak i nierozpuszczalne materiały, takie jak kawa w proszku i piasek. To zachowanie naśladuje naturalne systemy samoczyszczące i pokazuje, jak starannie zaprojektowana geometria powierzchni, kształt i układ wzorów powierzchniowych może wpływać na wydajność. Naukowcy zaobserwowali również, że struktury te zmniejszają przyczepność, czyli tendencję substancji do przyklejania się, umożliwiając całkowite oddzielenie kropelek bez pozostawiania śladów.
Poza samooczyszczaniem, materiał wykazywał dużą odporność na tworzenie się lodu. Po wystawieniu na działanie ujemnych temperatur kropelki wody na zmodyfikowanej powierzchni pozostawały niezamarznięte dłużej w porównaniu z nieobrobionym PET. Opóźnienie to występuje, ponieważ strukturalna powierzchnia zmniejsza przenoszenie ciepła, czyli przepływ energii cieplnej, pomiędzy materiałem a kroplą. Takie działanie zapobiegające oblodzeniu może okazać się przydatne w środowiskach, w których gromadzenie się lodu stwarza ryzyko dla bezpieczeństwa lub eksploatacji.
Badanie wykazało również odporność na długotrwałe działanie ultrafioletu, czyli wysokoenergetycznego promieniowania słonecznego, które może powodować degradację materiałów. Nawet po długotrwałym naświetlaniu promieniami UV powierzchnie zachowały swoje właściwości hydrofobowe przy minimalnej degradacji. Ta trwałość ma kluczowe znaczenie w rzeczywistych zastosowaniach, w których materiały muszą wytrzymywać działanie promieni słonecznych przez długi czas bez utraty funkcjonalności.
Co ważne, w tym podejściu unika się stosowania nanocząstek – niezwykle małych cząstek często stosowanych w powłokach, które są powszechnie stosowane w podobnych powłokach, ale mogą budzić obawy dotyczące środowiska i trwałości. Jak zauważył profesor Zhang: „W tym badaniu uzyskano superhydrofobową powierzchnię bez żadnych nanocząstek w prostym dwuetapowym procesie”. Ta innowacja zmniejsza potencjalne ryzyko związane z uwalnianiem nanocząstek, jednocześnie upraszczając produkcję.
Ogólnie rzecz biorąc, badanie przedstawia praktyczną ścieżkę ulepszenia powszechnie stosowanych materiałów za pomocą zaawansowanych funkcjonalności powierzchni. Integrując struktury w mikro- i nanoskali z modyfikacjami chemicznymi, zespół stworzył powierzchnie PET, które są nie tylko samoczyszczące, ale także odporne na degradację lodu i promieni UV. Te ulepszenia mogą wydłużyć żywotność materiałów stosowanych w opakowaniach, komponentach samochodowych i sprzęcie zewnętrznym, zmniejszając koszty konserwacji i poprawiając wydajność w trudnych warunkach.
Odniesienie do czasopisma
Sheng Y., He S., Hao X., Fu E., Boyer C., Zhang J. „Samoczyszczący arkusz heterostrukturalnego polietylenu z politereftalanu etylenu (PET) o podwójnej skali, o właściwościach przeciwoblodzeniowych i odpornych na promieniowanie UV.” Zaawansowane interfejsy materiałowe, 2025. DOI: https://doi.org/10.1002/admi.202500625
O Autorach
Yingkun Sheng jest doktorantem w Szkole Inżynierii Mechanicznej i Produkcji na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii (UNSW), pod kierunkiem profesora nadzwyczajnego Jina Zhanga i profesora Cyrille’a Boyera. Uzyskała tytuł licencjata inżyniera na Uniwersytecie Sun Yat-sena oraz tytuł magistra inżyniera na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii. Jej obecne badania skupiają się na wielofunkcyjnych powłokach przednich do konwencjonalnych modułów fotowoltaicznych ze szklaną metalową ramą i lekkich modułów fotowoltaicznych.
Doktor Shuai He jest starszym pracownikiem naukowym w Szkole Inżynierii Mechanicznej i Produkcyjnej na UNSW Sydney, specjalizującym się w zaawansowanej produkcji, materiałach kompozytowych i inteligentnych systemach termomechanicznych. Dzięki ponad dziesięcioletniemu doświadczeniu w środowisku akademickim i przemysłowym jego badania koncentrują się na zaawansowanych kompozytach, wytwarzaniu przyrostowym polimerów i metali, inteligentnych materiałach oraz zrównoważonych systemach produkcyjnych dla zastosowań w przemyśle lotniczym i energii odnawialnej. Pełnił funkcję CI i współ-CI w dużych projektach ARC, CRC, TRaCE i finansowanych przez przemysł. Jego praca integruje wielofunkcyjne projektowanie materiałów, inteligentne wykrywanie i monitorowanie stanu strukturalnego oraz produkcję zgodną z Przemysłem 4.0, aby zapewnić przekładalne wyniki w zaawansowanych technologiach lotniczych i kosmicznych i energetycznych, poparte aktywnym dorobkiem publikacji w wiodących międzynarodowych czasopismach.
Profesor Cyrille Boyeraustralijski laureat na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii, specjalizuje się w syntezie funkcjonalnych makrocząsteczek do zastosowań w nanomedycynie, zaawansowanych materiałach i magazynowaniu energii. Jest pionierem metod druku 3D umożliwiających precyzyjną kontrolę nano- i makrostruktur. Praca Boyera przyniosła mu prestiżowe nagrody, w tym nagrodę IUPAC-Polymer International Young Researcher w 2018 r. oraz nagrodę Malcolma McIntosha w dziedzinie nauk fizycznych w 2015 r. Od 2018 r. jest niezmiennie uznawany za najczęściej cytowanego badacza, a australijska gazeta uznaje go również za lidera w dziedzinie polimerów i tworzyw sztucznych w Australii.
Jina Zhanga jest profesorem nadzwyczajnym Scientia i stypendystą Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney. Jej badania obejmują lekkie kompozyty strukturalne z polimerów wzmocnionych włóknami, funkcjonalne nanokompozyty do gromadzenia i wykrywania energii, powłoki funkcjonalne i polimery biodegradowalne, a także systemy polimerowe drukowane w 3D. Otrzymała stypendium Endeavour od Australijskiego Departamentu Przemysłu, Innowacji, Nauki, Badań i Szkolnictwa Wyższego w 2012 r. oraz stypendium Victoria od Wiktoriańskiego Departamentu Rozwoju Stanu, Biznesu i Innowacji w 2013 r. Obecnie kieruje projektami ARC Future Fellowship Project, ARC Linkage Project i projektami Cooperative Research Centres (CRC-P) finansowanymi przez rząd australijski, a wszystkie skupiają się na rozwoju zrównoważonej energii, materiałów i technologii.
